A bridge widening technology using steel-concrete composite system was developed and is presented in this paper. The widened superstructure system consists of a newly built composite steel-concrete girder with concrete deck and steel diaphragms attached to the existing concrete girders. This method has been applied in several bridge widening projects in China, and one of those projects is presented in detail. Due to the higher stiffness-to-weight ratio and the rapid erection of composite girders, this widening method reveals benefits in both mechanical performance and construction. As only a few methods for the design of bridges with different types of girders are recommended in current design codes, a more accurate analytical method of estimating live load distribution on girder bridges was developed. In the analytical model, the effects of span length, girder pacing, diaphragms, concrete decks were considered, as well as the torsional and flexural stiffness of both composite box girders and concrete T girders. The study shows that the AASHTO LRFD specification procedures and the analytical models proposed in this paper closely approximate the live load distribution factors determined by finite element analysis. A parametric study was also conducted using the finite element method to evaluate the potential load carrying capacities of the existing concrete girders after widening.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2010.05a
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pp.41-42
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2010
Newly developed steel-concrete composite girder bridge that comprise a steel girder with a steel box top slab filled with concrete. Compressive strength and bucking resistance of that are high because the concrete was confined to steel. that is economical form because the top of the section substituted partly steel for concrete. This paper provides that conspicuous characteristics of a new type of steel-concrete composite bridge.
Kim, Sung Jae;Yi, Na Hyun;Kim, Sung Bae;Kim, Jang-Ho Jay
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.5A
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pp.407-415
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2010
In Korea, more than 90% of the total number of steel bridges built for 40~70 m span length is a steel box-girder bridge type. A steel box-girder bridge is suitable for long span or curved bridges with outstanding flexural and torsional rigidity as well as good constructability and safety. However, a steel box-girder bridge is uneconomical, requiring many secondary members and workmanship such as stiffeners and ribs requiring welding attachments to flanges or webs. Therefore, in US and Japan, a plate girder bridge, which is relatively cheap and easy to construct is generally used. One type of the plate girder bridge is the two- or three-main girder plate bridge, which is a composite plate girder bridge that minimizes the number of required main girders by increasing the distance between the adjacent girders. Also, for the simplification of girder section, the stiffener which requires attachment to the web is not required. The two-main steel girder plate bridge is a representative type of plate girder bridges, which is suitable for bridges with 10 m effective width and has been developed in the early 1960s in France. To ensure greater safety of two- or three-main girder plate bridges, a larger steel section is used in the bridge domestically than in Europe or Japan. Also, the total number of two- or three-main girder plate bridge constructed in Korea is significantly less than the steel box girder bridge due to a lack of designers' familiarity with more complex design detailing of the bridge compare to that of a steel box girder bridge design. In this study, a new construction method called Turn Over method is proposed to minimize the steel section size used in a two- or three-main girder plate bridge by applying prestressing force to the member using confining concrete section's weight to reduce construction cost. Also, a full scale 20 m Turn Over girder specimen and a Turn Over girder bridge specimen were tested to evaluate constructability and structural safety of the members constructed using Turn Over process.
As few multi-tower single-box multi-cell cable-stayed bridges with corrugated steel webs have been built, analysis is mostly achieved by combining single-girder model, beam grillage model and solid model in support of the design. However, such analysis methods usually suffer from major limitations in terms of the engineering applications: single-girder model fails to account for spatial effect such as shear lag effect of the box girder and the relevant effective girder width and eccentric load coefficient; owing to the approximation in the principle equivalence, the plane grillage model cannot accurately capture shear stress distribution and local stress state in both top and bottom flange of composite box girder; and solid model is difficult to be practically combined with the overall calculation. The usual effective width method fails to provide a uniform and accurate "effective length" (and the codes fail to provide a unified design approach at those circumstance) considering different shear lag effects resulting from dead load, prestress and cable tension in the construction. Therefore, a novel spatial grid model has been developed to account for shear lag effect. The theoretical principle of the proposed spatial grid model has been elaborated along with the relevant illustrations of modeling parameters of composite box girder with corrugated steel webs. Then typical transverse and longitudinal shear lag coefficient distribution pattern at the side-span and mid-span key cross sections have been analyzed and summarized to provide reference for similar bridges. The effectiveness and accuracy of spatial grid analysis methods has been finally validated through a practical cable-stayed bridge.
Korea and Japan have done a lot of research on composite girders with corrugated steel webs and built many bridges with corrugated steel webs due to the significant advantages of this type of bridges. Considering the demanding on the calculation method of such types of bridges and lack of relevant reinforcement design method, this paper proposes the spatial grid analysis theory and tensile stress region method. First, the accuracy and applicability of spatial grid model in analyzing composite girders with corrugated steel webs was validated by the comparison with models using shell and solid elements. Then, in a real engineering practice, the reinforcement designs from tensile stress region method based on spatial grid model, design empirical method and specification method are compared. The results show that the tensile stress region reinforcement design method can realize the inplane and out-of-plane reinforcement design in the top and bottom slabs in bridges with corrugated steel webs. The economy and precision of reinforcement design using the tensile stress region method is emphasized. Therefore, the tensile stress region reinforcement design method based on the spatial grid model can provide a new direction for the refined design of composite box girder with corrugated steel webs.
Controlling vibrations and noise in steel box girders is important for reducing noise pollution and avoiding discomfort to residents of dwellings along bridges. The fundamental approach to solving this problem involves first identifying the main path of transmission of the vibration energy and then cutting it off by using targeted measures. However, this requires an investigation of the characteristics of flow of vibration energy in the steel box girder, whereas most studies in the area have focused on analyzing its single-point frequency response and overall vibrations. To solve this problem, this study examines the transmission of vibrations through the segments of a steel box girder when it is subjected to harmonic loads through structural intensity analysis based on standard finite element software and a post-processing code created by the authors. We identified several frequencies that dominated the vibrations of the steel box girder as well as the factors that influenced their emergence. We also assessed the contributions of a variety of vibrational waves to power flow, and the results showed that bending waves were dominant in the top plate and in-plane waves in the vertical plate of the girder. Finally, we analyzed the effects of commonly used stiffened structures and steel-concrete composite structures on the flow of vibration energy in the girder, and verified their positive impacts on energy regionalization. In addition to providing an efficient tool for the relevant analyses, the work here informs research on optimizing steel box girders to reduce vibrations and noise in them.
Steel-concrete composite rigid-frame bridge is a type of integral bridge having advantages in bridge maintenance and structural efficiency from eliminating expansion joints and bridge supports, the main problems in bridge maintenance. The typical steel-concrete composite rigid-frame bridge has the girder-abutment connection where a part of its steel girder is embedded in abutment for integrity. However, the detail of typical girder-abutment connection is complex and increases the construction cost, especially when a part of steel girder is embedded. Recently, a new type of bridge was proposed to compensate for the disadvantages of complex details and cost increase. The compensation are expected to improve efficiency of construction by simplifying the construction detail of the girder-abutment connection. In this study, a static load test has been carried out to examine the behavior of the girder-abutment connection using real-scale specimens. The results of the test showed that the girder-abutment connection of proposed girder bridge has sufficient flexural capacity and rebars to control concrete crack should be placed on the top of abutment.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.141-146
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2001
A post-tensioned steel plate girder bridge with cross-beams is analyzed by specially orthotropic laminate theory. The cross-sections of both girders and cross-beams are WF types. The result is compared with that of the beam theory. This bridge with simple support is under uniformly distributed vertical load, and axial loads and moment due to post-tension. In this paper, finite difference method for numerical analysis of simple supported bridge is developed. Relatively exact solution is obtained even with small number of meshes. Theory and analysis method of specially orthotropic laminate plates used in this paper can be used in design of new bridges, and maintenance and repair of old bridges.
Kim, Janghwan;Kee, Seong-Hoon;Youn, Heejung;Kim, Dae Young
Steel and Composite Structures
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v.29
no.4
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pp.437-450
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2018
A bridge comprising of two girders, such as a twin steel box-girder bridge, is classified as fracture critical (i.e., non-redundant). In this study, the various bridge components of the twin steel box-girder bridge are investigated to determine if these could be utilized to improve bridge redundancy. Detailed finite-element (FE) models, capable of simulating prominent failure modes observed in a full-scale bridge fracture test, are utilized to evaluate the contributions of the bridge components on the ultimate behavior and redundancy of the bridge sustaining a fracture on one of its girders. The FE models incorporate material nonlinearities of the steel and concrete members, and are capable of capturing the effects of the stud connection failure and railing contact. Analysis results show that the increased tensile strength of the stud connection and (or) concrete strength are effective in improving bridge redundancy. By modulating these factors, redundancy could be significantly enhanced to the extent that the bridge may be excluded from its fracture critical designation.
To have a better understanding of the torsional mechanism and influencing factors of PC composite box-girder with corrugated steel webs, ultimate torsional strength of four specimens under pure torsion were analyzed with Model Test Method. Monotonic pure torsion acts on specimens by eccentric concentrated loading. The experimental results show that cracks form at an angle of $45^{\circ}$ to the member's longitudinal axis in the top and bottom concrete slabs. Longitudinal reinforcement located in the center of cross section contributes little to torsional capacity of the specimens. Torsional rigidity is proportional to shape parameter ${\eta}$ of corrugation and there is an increase in yielding torque and ultimate torque of specimens as the thickness of corrugated steel webs increases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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